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意法半导体:应对汽车传感器应用的第三次浪潮

http://www.ec.hc360.com2020年10月22日19:17 来源:eechinaT|T

  汽车虽然并非新生事物,但这些年来造车市场却热闹非常。抢眼的无疑是一大波成功或失败的造车新势力。而实际上,幻象背后的动因是汽车技术的快速演进。

  显然,半导体厂商们不会缺席这场盛宴。汽车技术的更迭意味着庞大的市场机遇,尤其是当半导体技术成为主要驱动力的时候。近日,意法半导体(STMicroelectronics,简称ST)亚太区模拟器件、MEMS和传感器事业部 (AMS) ,MEMS产品市场应用负责人Davide BRUNO先生向我们介绍了汽车技术发展的趋势,以及ST的各类汽车传感器技术及其应用。

  BRUNO先生介绍说,汽车电子发展的总体趋势是,传统汽车核心电子元器件的占比在减少,而用于电动化和数字化器件的比例在上升。如下图所示,预计三五年后,后者的比例将上升到60%以上。半导体技术在汽车电动化的重要贡献之一是碳化硅(SiC)器件的应用,而传感器技术对汽车的数字化进程至关重要。

  

  图1:汽车系统中用于数字化与电动化电子器件占比在不断上升

  汽车传感器增长动能

  不论在传统的还是新兴的汽车电子系统中,传感器的作用都举足轻重。BRUNO先生介绍说,传感器的市场机会主要体现在这几方面的应用:共享汽车门禁、路噪抑制、车联网和辅助驾驶。

  有机构预测,至2024年,全球共享汽车的占比将达到汽车总量的10%以上。虽然共享汽车在我国并不那么被看好,但这个市场还是会增长。共享汽车门禁需要加速度计,以确定汽车处于行驶还是静止状态。超低功耗特性至关重要,而ST的加速度计正具备这个特性。

  路噪抑制系统相对复杂,需要多颗传感器:加速度计检测车轮振动,麦克风感测车厢内的噪声。许多OEM的解决方案有多达8个麦克风和4个加速度计。当然,ST是MEMS麦克风和加速度计的重要厂商。

  在车联网方面,BRUNO说,ST一直是技术先驱。ST的TESEO汽车处理器,特别是MEMS和惯性测量单元,具有全套的开发工具。ST的6自由度惯性单元(6DOF模块)将3轴加速度计和3轴陀螺仪集成在一起。内置测斜计用于汽车报警,也可能用于检测汽车碰撞。

  再说辅助驾驶(ADAS),它实际上是自动驾驶的基础。ADAS的关键器件是雷达和激光雷达。ST的传感器在雷达生产过程中起到了关键作用。BRUNO说,汽车雷达的倾斜角和安装方式非常重要,ST研发销售专门用于汽车组装生产线上检测雷达倾斜度或稳定性的传感器。

  接下来,BRUNO介绍了目前热门的自动驾驶技术。自动驾驶分为5级,从辅助驾驶到全自动驾驶。五级自动驾驶技术预计在2040年普及,每辆汽车中需要使用的传感器数量也多(30多个),如下图所示。

  

  图2:全自动驾驶汽车需要多达30个传感器

  三次浪潮

  前面讲到了传感器在各类汽车系统中的应用。实际上,这些传感器并非一夜之间出现在您的车辆中。BRUNO说,汽车传感器的应用可分为三次浪潮,如下图所示。

  

  图3:汽车传感器应用的三次应用浪潮

  汽车传感器第一次应用浪潮始于1974年的安全气囊开始。ST是安全气囊市场参与者。然后,主动安全应用到来。再然后,信息娱乐系统出现,是为非安全应用。ST是全球公认的汽车非安全应用芯片第一大制造商。第三次浪潮始于主动安全,因为主动安全是自动驾驶汽车的一部分。BRUNO说,ST正与所有一级和OEM汽车制造商一起谋划这次应用浪潮。

  虽然汽车传感器的第二次应用浪潮并未结束,例如侧翻检测传感器目前只有50%左右的渗透率,但第三次浪潮无疑才是具市场潜力当然也是重要的。第三次浪潮的终  极目标是实现自动驾驶,而这对传感器的性能要求是前  所  未有的。

  BRUNO介绍说,传感器的精度、稳定性和线性度是3个重要参数,它们对汽车的自动驾驶意义重大。零级自动驾驶基本上不用传感器。一级自动驾驶要求传感器在30秒内提供定位数据,定位误差小于50厘米。三级的准确度要求从50厘米变为10厘米。五级没有定位误差,也就不可能有定位错误。

  为解决这些问题,大多数OEM和一级厂商的做法是在惯性模块或子系统中使用冗余配置,将几个相同的传感器安装在一起。这种配置显然成本高、结构复杂。未来的趋势是只用一个多轴惯性测量系统加上功能安全模块。ASIL安全标准有A、B、C、D 4个等级,D级要求严格。今天,大多数6轴惯性单元都是ASILB级。ST不久的将来要推出D级产品。

  目前,ST已经为客户提供3/4/5自由度的惯性模块或整合多个不同自由度的解决方案,以解决ESC系统、侧翻检测和稳定控制需求。ST的陶瓷封装让传感器单元有更高的稳定性和更好的线性度,是汽车传感器的未来。

  关于传感器的精度,校准是一个非常重要的问题。传感器校准时间与成本密切有关。例如,飞机的传感器系统价值15万美元,需要一周的时间逐一校准。相比之下,ST的传感器校准只需几秒钟,因此成本可以大幅下降。ST不仅在公司内部团队间通力合作,还与重要的封装专家和领  先企业(其中许多来自中国)合作开发封装技术,以制定校准测试方法。

  如下图所示,ST的ASM330CHH惯性传感器,其竞品售价约10,000美元,校准需要1到2天的时间。图表给出了偏移量和灵敏度误差两个参数。在许多参数比较中,ST的产品表现更好。

  

  图4:ST的惯性测量单元与价格上万美元的竞品性能对比

  BRUNO谈到了激光雷达,这是自动驾驶的核心技术。激光雷达装置里有反射镜,这是用半导体制成的真实的小镜子。ST与知名科技公司Leddartech合作,为他们提供由MEMS微镜和光学元件组成的激光雷达子系统。ST在市场上推广这个激光雷达解决方案,帮助激光雷达尺寸更小、成本更低。

  以上介绍了ST公司重要的汽车传感器技术。实际上,ST提供的汽车传感器产品还有很多,如检测驾驶员状态的图像传感器,它们有助于大幅降低事故发生率。未来汽车需要越来越多的传感器,需要性能更高的传感器,而ST正致力于以更高的性价比满足市场的需求。

责任编辑:刘婷婷

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